IBM đạt được bước đột phá trong kỹ thuật máy tính lượng tử

Tổng Hợp Báo Chí Hoa Kỳ

Tạp chí Forbes,

Lần đầu tiên, IBM đã sử dụng một máy tính lượng tử để giải quyết một vấn đề mà các phương pháp cổ điển hàng đầu đều gặp khó khăn. 

Thành tựu này đánh dấu một cột mốc quan trọng trên con đường hướng tới các hệ thống và phần mềm máy tính lượng tử hữu ích.

IBM đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Nature mô tả một bước đột phá trong điện toán lượng tử, trong đó họ đã giải quyết một vấn đề phức tạp mà các phương pháp xấp xỉ siêu máy tính hàng đầu không thể giải quyết được. Thành tựu này có thể đẩy nhanh tiến độ tiến tới một ngày mà các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực có thể sử dụng các hệ thống lượng tử để giải quyết các vấn đề nan giải trước đây trong hóa học, khoa học vật liệu, trí tuệ nhân tạo, v.v.

Làm thế nào họ tiến đến đó là một câu chuyện thú vị, khi họ phải làm việc với các qubit ( đơn vị cơ bản của điện toán lượng tử) vốn rất dễ bị lỗi, khi máy tính phải  hoạt động trong trạng thái nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của không gian sâu thẳm và sau khi có được kết quả họ đã phải sử dụng các mô phỏng siêu máy tính cổ điển để kiểm tra kết quả đó xem có đúng hay không.

IBM muốn kiểm tra ý tưởng rằng máy tính lượng tử Eagle 127 qubit có thể cung cấp giá trị cho một vấn đề hữu ích mà nó từng thách thức các phương pháp của máy tính cổ điển hàng đầu. Nhưng để làm được như vậy, họ phải giải quyết hai vấn đề thực sự khó khăn. Đầu tiên, họ phải thu được kết quả chính xác từ một máy tính lượng tử vốn đa nhiễu và dễ bị lỗi. Thứ hai, vì chưa ai từng chạy một mô hình lớn như vậy trên máy tính lượng tử, làm sao họ biết cách điều hành cho đúng?

IBM đã giải quyết vấn đề gì?

IBM đang mô phỏng mô hình Ising, một “mô tả toán học về sắt từ bao gồm các biến rời rạc biểu thị các khoảnh khắc lưỡng cực từ của các “spin” nguyên tử có thể ở một trong hai trạng thái (+1 hoặc -1).” Họ hy vọng tính toán được lượng từ  trường trung bình của hệ thống này. Một vấn đề phức tạp và liên kết với nhau như vậy là lý tưởng để máy tính lượng tử xử lý, vì nó có thể được phản ánh một cách hiệu quả lên các qubit của máy tính lượng tử. Mô hình Ising đã được sử dụng để nghiên cứu nhiều hiện tượng vật lý, bao gồm sắt từ, phản sắt từ, sự chuyển pha lỏng-khí và nếp gấp protein. Nó cũng đã được sử dụng trong khoa học máy tính để nghiên cứu các vấn đề như tối ưu hóa và máy học.

“Mặc dù một vấn đề như vậy rất phù hợp với điện toán lượng tử do tính năng động thay đổi của nó và rất nhiều kịch bản tiềm năng, nhưng trước đây nó vẫn nằm ngoài tầm với của điện toán lượng tử do tình trạng bị nhiễu và dễ bị lỗi của máy tính lượng tử ngày nay,” IBM cho biết.

Cách giảm thiểu lỗi của IBM

IBM đã giải quyết vấn đề nhiễu động bằng cách áp dụng các kỹ thuật giảm thiểu lỗi. Về cơ bản, việc sửa lỗi trong điện toán lượng tử hiện không khả thi. Một chiếc máy tính truyền thống có xác suất là 10 ^-27 0f “0” đột nhiên trở thành “1” khi va chạm với một hạt vũ trụ. Mặc dù gần bằng 0, nhưng các máy tính truyền thống sử dụng Mã dự phòng theo chu kỳ để phát hiện và sửa các lỗi xảy ra. Vì vậy, báo cáo ngân hàng của bạn (thực hiện bởi máy tính cổ điển) là an toàn.

Nhưng xác suất đó tăng 100 nghìn tỷ lần lên 10 ^-4 trong máy tính lượng tử. Người ta sẽ phải dành phần lớn công suất của máy tính lượng tử chỉ để tìm và sửa lỗi!

Thay vì sửa lỗi, IBM đã sử dụng Phép ngoại suy tiếng ồn bằng không (ZNE) để giảm độ lệch bằng cách tăng tiếng ồn lên 20 và 60%, sau đó ngoại suy trở lại giá trị dự kiến ​​ở mức tiếng ồn bằng không.

Tiến sĩ Abhinav Kandala, Giám đốc Nghiên cứu về Khả năng Lượng tử và biểu diễn của IBM cho biết: “Chúng tôi chỉ có thể làm được điều này bởi vì chúng tôi hiện đã xây dựng được một hệ thống lượng tử có quy mô và chất lượng chưa từng có, đồng thời phát triển khả năng điều khiển nhiễu trên một hệ thống lượng tử ở quy mô này”.

Nhưng làm thế nào để biết ta đã hiểu đúng?

IBM đã tuyển dụng các chuyên gia về các phương pháp tính toán cổ điển hàng đầu, họ cùng làm việc tại trụ sở ở đại học UC Berkeley. Các đội đã đồng thời giải quyết vấn đề trên các siêu máy tính cổ điển tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học Purdue. Ở mức độ phức tạp thấp hơn, các kết quả lượng tử phù hợp với các mô phỏng mạnh bạo (trên máy tính cổ điển), nó  đã tính toán và có câu trả lời chính xác.

Đây có phải là lợi thế lượng tử? Không, đó là tiện ích lượng tử

Khi mô hình ngày càng khó khăn, các phương pháp cổ điển bắt đầu chùn bước. Cuối cùng, mô hình này quá khó đối với các phương pháp brute-force, nhưng hiệu suất của các phương pháp lượng tử so với các phép tính gần đúng cổ điển hàng đầu đã cho các nhà nghiên cứu bằng chứng rằng các máy tính lượng tử đang cung cấp các câu trả lời chính xác hơn nhờ các kỹ thuật giảm thiểu lỗi mới và tiên tiến. Mặc dù IBM không có cách nào để xác minh các kết quả này ở các mức độ phức tạp cao này, nhưng việc đối sánh các kết quả ở các mức độ thấp hơn mang lại cho họ niềm tin hợp lý rằng các kết quả mới trên thực tế là chính xác. IBM cho biết: “Mặc dù chúng tôi không thể chứng minh các câu trả lời lượng tử là đúng đối với các mạch tiên tiến nhất mà chúng tôi đã thử, nhưng chúng tôi đang tạo niềm tin rằng máy tính lượng tử đang mang lại giá trị vượt xa máy tính cổ điển cho vấn đề này”.(blog đi kèm với bài báo trên tạp chí Nature .)

Vậy thì đây có phải là “Lợi thế lượng tử” huyền thoại trong đó một hệ thống lượng tử giải quyết một vấn đề không thể giải quyết bằng bất kỳ số lượng tính toán cổ điển nào không? IBM tiếp tục: “Điều này không chứng minh rằng máy tính lượng tử hiện nay tốt hơn các hệ thống cổ điển. “Trên thực tế, chúng tôi hình dung một tương lai được xác định bởi sự cải tiến liên tục của cả hai mô hình khi chúng giải quyết các vấn đề phù hợp nhất cho từng mô hình. Nhưng nó cho thấy chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử ngày nay theo cách có giá trị và giải quyết các vấn đề khó đối với máy tính cổ điển.”

Vì vậy, lượng tử có thể được sử dụng để xác minh các kết quả cổ điển mới xuất hiện từ phần mềm và phần cứng mới vượt qua ranh giới.

Do đó, IBM mô tả công nghệ tiên tiến nhất hiện nay là đạt được “Tiện ích Lượng tử”; nó có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề trong thế giới thực, cho dù máy tính cổ điển có thể đạt được kết quả tương tự hay không.

 

Chúng ta sẽ đi đâu từ điểm này?

Trong khi các nhà khoa học của IBM vẫn thận trọng trong việc ngoại suy các kết quả, con đường đổi mới ở đây đã rõ ràng. Hình ảnh bên dưới cho thấy công ty và hệ sinh thái của công ty đã tiến xa như thế nào trong 6 năm qua. Và IBM đang dự kiến ​​rằng họ sẽ sớm có thể giải quyết các vấn đề “100 qubit bằng 100 cổng mạch tính toán sâu” và dự định có một hệ thống lượng tử với 100.000 qubit trong 10 năm tới.

Các nhà nghiên cứu của IBM trong nghiên cứu mới đã thực hiện một nhiệm vụ khác mà các nhà vật lý quan tâm. Họ đã sử dụng một bộ xử lý lượng tử với 127 qubit để mô phỏng hành vi của 127 thanh nam châm ở quy mô nguyên tử trong một từ trường đủ nhỏ để cơ học lượng tử chi phối.

Một hệ thống đơn giản sử dụng mô hình Ising, được sử dụng để nghiên cứu từ tính. Vấn đề này quá phức tạp để có thể tính toán được câu trả lời chính xác ngay cả trên những siêu máy tính lớn nhất, nhanh nhất. Việc tính toán mất chưa đầy một phần nghìn giây trên máy tính lượng tử. Mỗi phép tính lượng tử đều không đáng tin cậy — sự dao động của nhiễu lượng tử chắc chắn sẽ xâm nhập và gây ra lỗi — nhưng mỗi phép tính đều nhanh đến mức có thể kiểm tra lại nhiều lần.